巖溶區(qū)隧道施工風險及問題探討

張棟

（中國鐵建昆侖投資集團有限公司劍黎高速公路工程施工總承包指揮部，貴陽 550025）

1 引言

近年來，隨著隧道等地下工程的快速發(fā)展，許多大、長、深隧道以及海底隧道已經(jīng)建成并投入使用。在施工過程中，出現(xiàn)了許多復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境，施工的難度也越來越大。根據(jù)有關(guān)資料的統(tǒng)計，在所有區(qū)域的地質(zhì)隧道中，巖溶區(qū)隧道在建設(shè)過程中發(fā)生突發(fā)性災(zāi)害的頻率最高。就我國而言，1980 年以后建設(shè)的隧道總量中巖溶隧道占了約40%，其中65%的巖溶隧道在西南地區(qū)[1]。由此可以看出，對巖溶區(qū)隧道施工風險的研究在隧道工程發(fā)展史上起著至關(guān)重要的作用。深化對隧道施工風險的認識，便可對施工過程中隨時可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害做出有效的防范，亦可通過巖溶隧道施工風險的特點提出有針對性的施工方案，使巖溶區(qū)隧道安全建設(shè)體系逐步完善。

2 巖溶區(qū)隧道施工風險

2.1 研究對象的界定

巖溶（又稱喀斯特Karst）指的是可溶性巖層，如碳酸鹽類巖層（石灰?guī)r、白云巖）、硫酸鹽類巖層（石膏）和鹵素類巖層（巖鹽）等在水的作用下會產(chǎn)生溝槽或裂隙，以及由于空洞頂板的塌陷使地表產(chǎn)生陷穴、洼地等現(xiàn)象和作用的總稱[2-7]。本文所提及巖溶是指在隧道施工過程中處于隧道開挖范圍內(nèi)或影響隧道圍巖穩(wěn)定性的巖溶溶洞。通常我們將處于巖溶區(qū)的隧道稱為巖溶隧道。

2.2 隧道巖溶的危害

施工的被動性是隧道工程有別于其他土建工程的主要特征，而巖溶地質(zhì)的存在又使隧道施工的被動風險進一步提升。目前為止，許多國家都在巖溶段隧道施工中遭受了巨大經(jīng)濟損失。以美國為例，至少有20 個州都受到該問題的困擾，相比之下，東部各州的巖溶破壞最為嚴峻。此外，南非地區(qū)每年因巖溶區(qū)隧道建設(shè)事故所造成的傷亡人數(shù)多達幾十人，生命和財產(chǎn)損失慘重[8]。

我國地域廣闊，地形復(fù)雜，山地占全國70%以上。我國的碳酸鹽巖溶出露面積大約為1/10，是世界上巖溶地質(zhì)分布最廣的國家，且主要分布在云、桂、貴等西南部地區(qū)[9]。在以上地區(qū)進行大斷面隧道工程建設(shè)時常常會遇見石灰?guī)r巖溶地質(zhì)，使在該區(qū)進行的水利、公路、鐵路等隧道工程的施工和運營困難程度加劇。就西南隧道而言，全線因穿越巖溶密集區(qū)，在修建過程中需處置大小溶洞80 余處，而且全線多次由于巖溶問題處置不合理發(fā)生冒頂和隧道底板塌陷事故，隧道主體結(jié)構(gòu)的破壞和隧道修建工期的滯后，造成了巨大的經(jīng)濟損失[10]。

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，以及“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的實施，對具有豐富水電資源的喀斯特地區(qū)進行水電建設(shè)的需求日益增長，如已建的魯布革、東風、貓?zhí)?、隔河巖、龍灘、天生橋、巖灘、烏江渡等水電工程，都是在巖溶較為發(fā)育的地區(qū)進行了不同程度的隧洞建設(shè)。目前我國的隧道建設(shè)項目較以前任何一段時間相比其復(fù)雜性、長度、數(shù)量都是無可比擬的。隨著我國綜合國力的不斷增強，道路（公路、鐵路）等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將會迎來更迅速的發(fā)展時期，在地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)修建隧道也將面臨更大的挑戰(zhàn)，同時為我們對隧道建設(shè)技術(shù)的研究和發(fā)展提供了更好的平臺。

溶洞的存在造成了隧道圍巖應(yīng)力場分布不均，終而導(dǎo)致隧道襯砌出現(xiàn)變形甚至失穩(wěn)。除此以外還會導(dǎo)致隧道開挖過程中發(fā)生冒頂和或底板塌陷等突發(fā)事件；另一方面，豐富的水資源是發(fā)育性巖溶最主要的元素，這也就導(dǎo)致了隧道在修建過程中出現(xiàn)處置不當而引發(fā)的隧道涌水、突泥等地質(zhì)事故，嚴重影響了隧道的正常施工以及人員、設(shè)備的安全。這些突發(fā)性事件的出現(xiàn)，主要是因為目前對溶洞在隧道施工前后的影響特性研究不夠深入，從而導(dǎo)致巖溶段隧道設(shè)計和施工皆無針對性。此外，巖溶區(qū)的隧道施工至今還沒有任何規(guī)范的文件。所以，借鑒同類工程的經(jīng)驗，對巖溶區(qū)隧道的施工特征進行深入的分析，把握其規(guī)律，是保證巖溶區(qū)隧道施工安全的關(guān)鍵；在此基礎(chǔ)上，強化和規(guī)范巖溶區(qū)地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的使用，對預(yù)報的不良地質(zhì)段提前制訂施工方案和預(yù)防措施，避免突發(fā)性事件發(fā)生。從而逐步建立巖溶區(qū)防治體系，提高巖溶段施工效率和施工質(zhì)量。

了解巖溶區(qū)隧道建設(shè)過程的潛在風險，深入研究溶洞和隧道在施工前后的相互影響規(guī)律和二者變形特點是巖溶段進行有效支護的關(guān)鍵。對巖溶區(qū)隧道施工風險因素的準確認識，才能進一步掌握其規(guī)律性，提出合理的建設(shè)方案及防治措施，進一步優(yōu)化設(shè)計和施工。深入研究溶洞存在對隧道圍巖和支護的相互作用規(guī)律，對完善隧道建設(shè)資料和健全巖溶區(qū)隧道處置方案和推動隧道工程向著更規(guī)范、更高效的方向發(fā)展具有一定促進作用。

3 巖溶區(qū)隧道建設(shè)中存在的工程問題

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展和社會的不斷進步，未來會有更多的隧道工程需要穿越地質(zhì)條件更復(fù)雜的巖溶地區(qū)。但現(xiàn)階段巖溶段隧道施工還存在較大的盲目性，與非巖溶區(qū)隧道相比，巖溶段隧道支護措施和處置方案并無針對性和特殊性，這就使得隧道施工進度和質(zhì)量在巖溶區(qū)難以保證。本節(jié)將對巖溶地區(qū)存在的工程問題和研究現(xiàn)狀展開討論。

由于復(fù)雜的巖溶地質(zhì)，我國在水工、鐵路、公路隧道的發(fā)展歷程中經(jīng)歷了很多工程災(zāi)害。20 世紀中葉，在修建貴昆鐵路和襄渝鐵路時就遭受了大量的巖溶問題所引發(fā)的工程災(zāi)害。如貴昆線的梅花山、巖腳隧道由于超前預(yù)報技術(shù)不夠完善，且主要依賴于地質(zhì)勘探和工程經(jīng)驗預(yù)測，造成了施工過程中的溶洞底板塌陷。因巖溶段處置不當和后期對處置效果檢測機制不完善而導(dǎo)致京廣鐵路大瑤山隧道、襄渝鐵路大巴山隧道在運營過程中的長期危害和高昂的經(jīng)濟負擔。我國可溶巖層地質(zhì)主要分布在西南地區(qū)，因此在西南地區(qū)鐵路、水工、公路隧道的建設(shè)過程中常面臨巖溶問題的困擾。例如，由于對溶洞填充物或巖溶水等因素勘測不準確，從而導(dǎo)致了圓梁山隧道發(fā)生了特大巖溶涌水和華鎣山隧道在多處出現(xiàn)了巖溶洞穴坍塌事故，造成了巨大的經(jīng)濟損失。

在國外，阿爾卑斯山隧道等越嶺隧道中也出現(xiàn)過同樣的問題，這不僅導(dǎo)致了人員的傷亡和建筑設(shè)備的損壞，還嚴重影響了施工期限，大大增加了建設(shè)成本，并且這些隧道由于巖溶問題在運營期間也出現(xiàn)過交通中斷等事故。

隧道開挖過程中的溶洞突水、突泥和隧道冒頂、底板塌陷等一系列問題是巖溶段隧道施工常見的工程問題。然而巖溶區(qū)隧道修建的復(fù)雜性不僅僅體現(xiàn)在施工過程中巖溶地質(zhì)對隧道的影響，還包括溶洞填充物和水的長期作用對巖溶洞穴空間形態(tài)的改變而造成的隧道運營期間不利影響?？扇軒r層和填充物是引發(fā)巖溶區(qū)隧道地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵因素和巖溶問題處置的難點，而水的存在又使巖溶問題的處置更具有特殊性。

如今，修建巖溶區(qū)隧道主要存在下列問題。

首先，針對巖溶區(qū)隧道的修建，不同部門制定了各自的施工指南和規(guī)定，但與非巖溶區(qū)隧道相比在很多方面并未體現(xiàn)其特殊性和針對性，因此，巖溶區(qū)隧道施工至今尚無明確的規(guī)范要求，在很大程度上還是處于盲目性施工的階段。主要表現(xiàn)為：

1）尚無針對巖溶區(qū)隧道的施工技術(shù)。巖溶區(qū)隧道施工工法及處置措施與非巖溶段在很大程度上相似，并未體現(xiàn)其針對性和特殊性。而對于溶洞的處置，沒有明確的處置效果鑒定標準，導(dǎo)致處置成本過高或處置效果不佳等現(xiàn)象發(fā)生，給后期的運維留下安全隱患。

2）目前巖溶段隧道施工的主要特點是被動性。主要體現(xiàn)在特殊地質(zhì)段隧道在施工過程中對前方地質(zhì)狀況的監(jiān)測和評價體系尚未建立和隱伏溶洞的處置標準及防治措施尚未明確，這就導(dǎo)致不能及時有效地對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害進行防治，影響隧道施工和運營安全。

3）雖然我國有著許多有關(guān)巖溶區(qū)隧道建設(shè)的經(jīng)驗和教訓，但是因由于技術(shù)資料積累體制以及管理方法還不夠完善，對巖溶區(qū)隧道施工問題研究的不足，使得其并未形成系統(tǒng)性的理論方法和技術(shù)方案的本質(zhì)改善，導(dǎo)致重復(fù)出現(xiàn)同類錯誤，造成巨大經(jīng)濟損失。

其次，不同形態(tài)和空間位置的溶洞對隧道位移、圍巖-支護體系的應(yīng)變、應(yīng)力分布和支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響研究不足，巖溶隧道施工方案、支護措施無針對性。主要表現(xiàn)為以下4 點。

1）對于施工過程中遇到的出露溶洞，一般采取回填、跨越的處治措施；對于圍巖范圍內(nèi)對隧道施工影響不明顯的隱伏溶洞，一般不進行處理，易引起隧道失穩(wěn)，影響施工安全和運營期內(nèi)的安全事故。

2）根據(jù)經(jīng)驗采取補強措施是目前對巖溶區(qū)出露溶洞常用的隧道支護手段。就處置措施而言，對于出露溶洞的支護并無針對性和特殊性。這就導(dǎo)致可能出現(xiàn)支護設(shè)計的強度不足或支護設(shè)計的剛度過大等問題，缺乏對支護設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性的系統(tǒng)性研究，進而導(dǎo)致安全事故或材料浪費過多。

3）對隱伏溶洞和隧道的相互影響特點缺乏研究，這就使得在巖溶洞段的支護設(shè)計時，不能根據(jù)圍巖應(yīng)力分布規(guī)律和塑性區(qū)的特點有針對性地進行。

4）存在巖溶的隧道與無溶洞狀態(tài)隧道的圍巖變形特征不同。但目前為止，對隧道已有支護和圍巖穩(wěn)定性在不同形態(tài)和空間位置的溶洞的影響規(guī)律還無統(tǒng)一定論，并且對于巖溶影響的預(yù)處理方案及合理的溶洞處治措施體系也尚未形成，溶洞的處置仍存在很大的盲目性。

最后，巖溶區(qū)隧道動態(tài)施工過程常常會因溶洞及其填充物的不同而面臨復(fù)雜多變的施工難題，利用地質(zhì)雷達、TSP 等技術(shù)手段配合地質(zhì)素描對掌子面前方地質(zhì)狀況提前做出預(yù)判是穿越復(fù)雜巖溶地質(zhì)的應(yīng)有工序。但目前針對巖溶區(qū)隧道，無論是超前預(yù)報、預(yù)測還是后期處置效果檢測等都尚未完善，并且缺乏對處置措施和效果的綜合性評價體系，這就意味著巖溶區(qū)隧道施工尚無規(guī)范化的地質(zhì)預(yù)報要求，導(dǎo)致其施工面對被動風險事件的增加。因此，對于巖溶區(qū)隧道施工，還需強化和規(guī)范地質(zhì)預(yù)報技術(shù)內(nèi)容和處置效果鑒定標準，減少巖溶區(qū)隧道施工和運營風險。

4 結(jié)語

作為土建工程特殊的構(gòu)筑物，隧道滿足了國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要；我國作為巖溶大國，攻克巖溶隧道建設(shè)難題又是隧道工程發(fā)展之必要。針對巖溶區(qū)隧道建設(shè)難題，首先應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有資料了解巖溶特點和在巖溶區(qū)隧道施工的潛在風險，逐步明確和完善巖溶區(qū)風險評價體系。其次，通過研究分析不同空間位置和形狀溶洞對隧道圍巖和支護的影響特點，根據(jù)實際情況提出具有針對性的支護方案和防治措施，以保證巖溶區(qū)隧道安全高效地施工。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)逐步健全巖溶區(qū)隧道防治體系和規(guī)范巖溶區(qū)地質(zhì)預(yù)報技術(shù)內(nèi)容，減少巖溶區(qū)隧道施工的盲目性，確保巖溶區(qū)隧道的施工和運營安全。